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新型潮汐能水轮机性能研究

2020-07-03 281 上传者：管理员

摘要：文章基于CFD和模型实验的方法为国内某工程开发了一种转轮直径为0.8m的新型超低水头潮汐能水轮机。利用数值模拟的方法对海工及机组模型进行1∶1的建模,并根据当地潮差数据确定计算工况点。对比分析了水轮机的内特性和5种不同叶片安放角下水轮机的出力和效率,确定了不同潮差对应的机组进出口水头。在此基础上,利用数值模拟确定的机组进出、口水头进行转轮直径为0.4m的模型实验,对比分析了5种叶片安放角下模型的出力和效率,并对叶片安放角为28°的模型实验数据和数值模拟数据进行了对比,发现两者的数据比较接近,由此验证了数值模拟的可靠性。

关键词：
CFD
低水头
叶片安放角
模型实验
水能机械
潮汐能水轮机
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前言

我国地处太平洋西岸,潮汐能蕴藏量丰富,但开发规模尚不足总储量的1%,可开发潜力巨大。目前,贯流式水轮机因其强大的过流能力及在超低水头的适应性被广泛应用于潮汐发电站。国内外研究人员对水轮机进行了大量研究。武贺介绍了几种国际上使用的潮汐能开发利用形式,并统计分析了我国潮汐能的时空分布特征,概述了我国仍在运行的潮汐能电站的基本状况[1]。赵帅帅设计了一种新型的偏心叶片式潮汐能发电装置,并通过数值模拟的方法计算了其在不同来流速度下的功率系数;他还发现,和其他潮汐能发电装置相比,偏心叶片式潮汐能发电装置的效能相对较高[2]。陈俊华基于叶素动量理论和实验的方法提出了一种桨叶设计流速的计算方法[3]。陈友良通过实验比较了单叶轮水平轴水轮机和共水平轴双叶轮水轮机的启动流速和获能效率,结果表明,双叶轮水轮机的启动流速和获能效率均比单叶轮的高[4]。GuanghuiBai对由3个潮流能水轮机组成的系统进行了数值模拟和模型试验,结果表明,潮流的来流方向对系统的捕能系数影响很大,水轮机布置在不同的平面和加大水轮机之间的距离均能提高系统的效率[5]。廖微结合小尺寸水轮机模型实验验证了叶素动量理论和CFD方法的准确性和适用性,并发现叶素动量理论适合初步设计而CFD方法适合设计结果的校验[6]。

目前开展的关于潮汐能水轮机的研究中,适用的水头主要集中在5~25m,对于潮差特别小(0.2~2.0m)的潮汐资源,适用水轮机的效率普遍偏低。在充分考虑了上述问题后,针对国内某工程的具体情况(包括潮差变化范围,机组尺寸以及工程安装难度等),本文提出一种新型的潮汐能水轮机,该水轮机能够在较低的潮差范围内表现出较好的水力性能。

1、数值模拟方法

1.1基本方程

数值计算采用不可压缩的连续方程和雷诺时均N-S方程,方程如下[7]:

公式1

公式2

式中:ui为i方向流速的瞬时值,m/s;xi为坐标,m;ρ为流体密度,;p为流体压力,Pa;Fi为质量力,;μ为湍流粘度,Pa·s。

湍流模型采用Spalart-Allmaras(S-A)模型,S-A湍流模型属于一方程模型,比两方程模型计算量小,稳定性好。为保证计算精度,计算中采用二阶迎风格式,隐式求解[8,9]。

1.2几何模型及网格划分

几何模型由海工模型和水轮机模型组成,按照1∶1的比例建模(图1)。海工模型由进口部分,两个涵洞和出口部分组成,水轮机采用后置灯泡体的形式,安放在其中一个涵洞中。海工模型的最大宽度为30m,最大长度为150m,水轮机模型的直径为0.8m。采用非结构化网格的方法进行网格划分。其中,海工结构进口部分的网格数为120万,涵洞的网格数为53万,出口部分的网格数为217万,机组部分进水流道的网格数为5.7万,转轮体的网格数为43万,出水流道的网格数为43万,总网格数为482万。

图1海工模型及潮汐能水轮机模型

1.3边界条件

该工程设计的高水位为2.28m,低水位为-0.69m,常水位为1.5m,机组在常水位附近工作的时间最长。为保护机组,当水位超过设计的高水位时,机组不发电,故机组两侧最大水位差为2.28+0.69=2.97m,因此,拟定在0~2.97m的潮差范围内选定10个潮差进行计算(表1)。

表1计算潮差列表

进口采用压力进口边界,出口采用压力出口边界。海工模型进口和出口部分的上表面和左右表面采用对称边界,其他部分采用绝热无滑移壁面;机组模型的转轮体为转动边界,转速为237r/min;近壁区采用标准壁面函数。

2、基于CFD的水力性能分析

当潮差为1.5m时,涵洞进口(左)和出口(右)处的流速矢量图如图2所示。

图2涵洞进口和出口的流速矢量图

从图2可以看出:最大速度出现在左侧进口处,在涵洞的进口段,速度呈上小下大的方式分布;在涵洞进口段的上侧有明显的回流存在,回流会阻挡水的进入,使涵洞进口的实际过流面积减小,导致涵洞进口段下侧的局部水流速度增大。涵洞出口的速度为3.5m/s左右。涵洞出口右侧的流态比较混乱,这是因为水流从两个涵洞出来后会产生撞击,使得水流不稳定。水流从两个涵洞出来后形成的两根水柱的流速很大,由于粘性作用,水柱之间的水被水柱带着向前运动,从而形成一个低压区,上方的水会流进这个低压区来进行填补,这样就形成了右图所示的出口右侧的向下流动的水流。机组安装在靠近涵洞出口处的位置,此处水流平稳,流速为4m/s左右。

2.1水轮机的外特性

为了考察不同潮差及不同叶片安放角对水轮机性能的影响,本文对5种叶片安放角进行了数值模拟,叶片角度分别为26,28,30,32,34°,并且每种叶片安放角都进行上述10种潮差工况的计算,结果如图3所示。从图3可以看出,不同叶片安放角下,水轮机的出力及效率的变化趋势相同。水轮机的出力随着潮差的增大而增大,在相同潮差下,叶片的安放角越大,水轮机的出力越大。水轮机的效率随潮差的增大先增大后减小,当潮差小于0.6m时,在相同潮差下,叶片安放角越大,水轮机的效率越低。当潮差大于0.6m时,在相同潮差下,叶片安放角越大,水轮机的效率越高,且叶片安放角越大,水轮机的效率随潮差的增大而下降的趋势越慢。考虑到常水位为1.5m,因此,根据数值模拟的结果,叶片安放角选择34°比较合适。

图3叶片安放角不同时,水轮机出力和效率的数值模拟结果

2.2水轮机的内特性

选取具有代表性的3个潮差(分别为0.69,1.40,2.97m)来对水轮机的内特性进行分析,结果见图4,5。

图4竖直面压力云图

图5叶片表面压力云图

从图4可以看出,叶片前面的压力有所增大,并且随着流速的增大,局部高压区的压力值也增大。这是因为水流冲击到叶片上时,叶片挡住了水流的流动,使得速度骤降,速度水头转化成了压力水头,来流的速度越大,转化的压力也就越大。叶片背后有局部低压区,该区域是最容易发生空化的部分。进水流道和出水流道的总体压力分布都比较均匀,流线的分布也比较均匀。

从图5可以看出:当潮差为0.69m和1.40m时,压力面的压力分布较为均匀,并在右上角出现了一小块局部高压区。当潮差为2.97m时,整个压力面的压力都比较大,且在进水端出现了一块局部高压区。比较3个潮差下叶片的进水端压力可以发现,压力随着潮差的升高而升高,这说明了叶片进水端的压力随着潮差的变化会产生明显的变化。当潮差为0.69m和1.4m时,叶片吸力面的压力呈鳞状分布,但是,当潮差为2.97m时,压力分布变得不规则,进水端(吸力面的右侧)出现了局部低压区,由于空化的产生跟低压有关,因此,这个区域可能产生空化空蚀。从图3(b)可以看出,当潮差为2.97m左右时,水轮机效率较低,这是因为当潮差较大时,流速也较大,叶片表面可能出现了脱流现象,从而导致了水轮机效率的下降。

3、基于模型实验的水力性能分析

3.1模型实验

当叶片被水流冲击而转动时,机组进出口会形成一定的压差,本文通过数值模拟的方法得到了不同潮差下对应的机组进、出口的压差(表2)。由表2可知,当潮差为0.40~2.97m时,机组的实际进、出口压差为0.29~1.67m。因此,开展本次模型实验时,压差测点在0.20~1.80m之间选取,压差间隔为0.1m,即每个叶片角度有17个测点。模型转轮的直径为0.4m。

表2潮差水位与机组前后压差对应情况

将实验数据按照相似定理换算成转轮直径为0.8m的数据,并将不同叶片安放角下水轮机的出力和效率绘制成曲线图(图6)。

图6叶片安放角不同时,水轮机出力和效率的模型试验结果

从图6可以看出,不同叶片安放角下,水轮机的出力和效率的变化趋势相同。水轮机的出力随着潮差的增大而增大,且在相同潮差下,叶片安放角越大,水轮机的出力也就越大。水轮机的效率随着潮差的增大先增大后减小。当潮差超过0.8m时,在相同的潮差下,叶片安放角越小,水轮机的效率越高。考虑到模型实验的结果更接近实际情况,最终选定叶片安放角为30°。

3.2模型实验结果与数值模拟对比

表3列出了模型实验和数值模拟的最高效率工况。

表3模型实验和数值模拟的最高效率工况由表3可以看出,在叶片安放角相同的情况下,数值模拟的流量、出力、效率值都要比模型实验的要大,这是因为数值模拟是一个理想的情况,而模型实验会受到壁面表面粗糙度、水体杂质等的影响,因此,模型实验的过流能力和流态情况会比数值模拟的差一些,从而导致模型实验的外特性参数比数值模拟的要低,而且模型实验也存在测量误差。所有叶片安放角下,数值模拟的最高效率对应的水头都要比模型实验的高,这是因为在模型试验中壁面比较粗糙且水体中存在杂质,相同流速下,模型实验的流动状态会相对差一些。

叶片安放角为28°时,将数值模拟和模型实验的数据进行对比,结果见图7。从图7可以看出:当水头超过0.7m时,数值模拟的出力比模型实验的出力要大一些;数值模拟的效率值跟模型实验的效率值较为接近,且在水头为0.5~1.5m时,数值模拟的效率值要偏大一些,其他水头下,数值模拟的效率值比模型实验的小。当水头超过0.8m时,数值模拟的效率值先上升后下降,而模型实验的效率值直接开始下降。引起上述现象的原因是数值模拟是一种理想的情况,而模型实验存在各种不可控的因素。总体来说,数值模拟和模型试验的结果较为接近,因此,模型实验结果验证了数值模拟的可靠性。

图7叶片安放角为28°时,水轮机出力和效率的模型试验数据和数值模拟数据

4、总结

本文针对国内某工程提出了一种新型潮汐能水轮机,通过数值模拟和模型实验的方法计算了该水轮机在超低水头工况下的性能,并得出以下结论。

(1)在计算潮差范围内,水轮机的出力随着潮差的增大而增大,效率随着潮差的增大先增大后减小;当潮差过大时,叶片表面会出现脱流现象。

(2)通过数值模拟的方法确定了模型实验机组的进口水头,通过模型实验确定了叶片安放角为30°。

(3)对比分析了模型实验和数值模拟,两者的结果在误差允许范围内较为接近,因此,模型实验验证了数值模拟的可靠性。

参考文献：

[1]武贺,王鑫,李守宏.中国潮汐能资源评估与开发利用进展[J].海洋通报,2015,34(4):370-376.

[2]赵帅帅,陈成军,洪军,等.偏心叶片式潮汐能发电装置的设计及其仿真[J].科学技术与工程,2014,14(8):131-135.

[3]盛其虎,孙科,张学伟,等.潮流能水轮机水动力分析方法[J].海洋技术学报,2014,33(4):105-111.

[4]陈俊华,李浩,唐辰,等.低流速水平轴潮流能发电装置桨叶的研究[J].太阳能学报,2015,36(10):2511-2517.

[5]陈友凉,雷朝,戴峥峥,等.共水平轴双叶轮海流机水动力学性能的实验研究[J].海洋技术学报,2016,35(1):106-112.